八旋翼無人機系統設計及性能分析

周超，張美紅，高琳杰

(中國民用航空飛行學院民航飛行技術與飛行安全科研基地，四川廣漢，618307)

八旋翼無人機系統設計及性能分析

周超，張美紅，高琳杰

(中國民用航空飛行學院民航飛行技術與飛行安全科研基地，四川廣漢，618307)

本文以零度X4V2飛控為控制核心，以軸距為1200mm帶電子收放腳架的機架為平臺，選擇動力裝置為DJI 3508 415KV電機，DJI CFP 15*5.5槳，DJI E1200，60A電調，供電選擇酷點6S，16000mAh，放電倍率15C/30C的鋰電池，設計一架可用于航拍、無人機駕駛員培訓等方面的八旋翼無人機。實際測試表明：該無人機可以在航拍設備2Kg的情況下有效飛行20min以上，平飛速度大于5m/s，有飛行數據實時顯示，自動導航，航線飛行，低電壓LED報警等多種功能。

無人機；八旋翼；系統設計；性能分析

0 引言

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。主要分為：固定翼、多旋翼，無人直升機。與傳統的無線電遙控飛機的區別，無人機能通過其內部設定的程序實現自主飛行。由于旋翼式無人機能夠實現懸停、側飛、倒飛、在狹小空間中飛行等固定翼無人機無法完成的操作，旋翼式無人機受到國內外廣泛關注。本文以零度飛控X4V2為基礎，搭配大疆動力套裝，設計一款可用于航拍、無人機駕駛員培訓等方面的八旋翼無人機，實際測試結果表明，具有一定的實用價值。

1 八旋翼機架及腳架

無人機的支撐和外觀系統通常由機架、腳架組成。機架是多軸飛行器結構的核心，所有動力設備都需要由機架進行承載。機架的材料有塑料、木頭、金屬、玻璃纖維、碳纖維等種類。不同的材料剛度和強度不同，價位也有很大區別。機架的尺寸由軸距表示，軸距是指對角線兩個螺旋槳中心的距離，單位通常是毫米（mm），表示機架的尺寸大小。腳架也叫起落架，主要用途是支撐無人機，避免螺旋槳離地太近，減弱起飛時的地效，消耗和吸收多旋翼著陸時的撞擊能量。

機架運行時會發生振動，振動會導致穩定性與安全性降低，振動主要源于機架變形、螺旋槳和電機不對稱。所以選擇機架時剛度越大越好，現階段多使用性價比較高的碳纖維材料。最后選擇機架TYI-1200，參數為：軸距1147mm 中心板340mm 機臂403mm，有電動收放腳架功能。

2 飛控

飛控是多軸飛行器的核心，用來控制電機協調工作，檢測飛行器高度、姿態，自動調節飛行動作等。選擇飛控時首先要考慮飛控與其他部件的兼容性。其次需參考市場評價，考慮其使用性價比和安全性；最后，對于不同的用戶，是否要經常修改飛控程序與參數，選擇編程復雜程度合適的產品。本文選擇零度X4V2型號，因為改款飛控擁有飛行數據實時顯示，自動導航，航線飛行，兩軸云臺增穩，低電壓LED報警等多種自帶功能，性價比較高。

3 電機

動力系統包括：電機，電調，螺旋槳。本文設計的無人機需要執行較遠的航程和較大飛行高度，則必須具有一定抗風性。因此在設計階段考慮較大的動力冗余，最終選用大電機，配大的螺旋槳。

電機與螺旋槳需要合理搭配才能達到設計的初衷，具體原理闡述如下：螺旋槳越大，升力就越大，但對應需要更大的力量來驅動；螺旋槳轉速越高，升力越大；電機的kv越小，轉動力量就越大。綜上所述，大螺旋槳就需要用低kv電機，小螺旋槳就需要高kv電機，因為需要用轉速來彌補升力不足。如果高kv帶大槳，力量不夠，就很困難，實際還是低俗運轉，電機和電調很容易燒掉。如果低kv帶小槳，完全沒有問題，但升力不夠，可能造成無法起飛。基于上述考慮，對市場中幾種常見廠商出產的同型號產品做比較，最后選擇電機 DJI 3508 415KV，因為該槳推薦起飛重量800g，最大提供升力2000g，既滿足了基本要求，又有很大的富余量保證安全。

4 螺旋槳

選擇單槳和共軸雙槳時，雖然雙槳可以不增加整體尺寸而增加載重，但降低的效率較多。其次，螺旋槳產生的噪聲會直接影響各靈敏傳感器，同時影響周圍環境，產生噪聲污染，若設計錯誤，噪聲誘發機體結構振動有可能影響飛機安全性。解決方法為增加槳葉數目，這樣可以在保持拉力和功率的前提下，減小螺旋槳的外徑，從而達到減噪目的，這也是八旋翼相對四旋翼的優點之一。最后，螺旋槳會產生震動，嚴重的震動會影響到飛控系統中的加速度傳感器，所以要選擇匹配的機架和電機，各槳在順逆時針旋轉時有相同的韌性。對比各類槳，選擇碳纖維槳較為合適。大槳會配低KV的電機，小槳配高KV的電機，因為需要用轉速來彌補升力不足。從氣動角度出發，多旋翼應選擇所能安裝且不沖突的最大的槳。上節選擇了DJI 3508電機，根據其公司提供最合適配型，選擇 DJI CFP 15*5.5槳，且DJI公司介紹該槳有其公司新設計的減噪設計，性價比較好。

5 電調

電調上標注的20A等各種型號，表示能承受的瞬間極限電流，所以一般選取4到5倍以上的規格。大規格電調可以兼容在小電流的電機上，但小規格電調不能給大電機使用。不選擇很大的電調的原因首先是價位，相同情況下，在可以滿足要求的情況下沒必要花更多的錢去浪費。其次，電調越大重量和體積也越大，當電流還沒到電調的最大值時，電池有可能因為電流過大損壞。由于電壓選擇22.2V，3.45A支臂最大電流、2.3A巡航電流，需選擇40A以上的高壓電調可滿足基礎要求，考慮安全裕量，選擇60A以上的電調較好，最后選擇電調 DJI E1200，60A，與電機的適配型較好。

八旋翼無人機實物如圖1所示。

圖1 八旋翼無人機

6 飛行測試

由北航可靠性飛行控制研究組提供的專業評測工具，模擬測量數據如表1左側所示。實際測試結果如表1右側所示。可以直觀得到所需參數數據：懸停時間27′26″，懸停油門百分比55%，最大平飛速度8m/s。

表1 測試結果

7 性能分析

本文設計的八旋翼無人機可以在有效載荷2Kg的情況下有效飛行20min以上，平飛速度大于5m/s，有飛行數據實時顯示，自動導航，航線飛行，兩軸云臺增穩，低電壓LED報警等多種自帶功能，當其中一個旋翼出現問題不能正常工作時，依舊可以安全降落。同時，擁有電動收放腳架且有自鎖能力，保證機身的安全性同時不影響航拍效果。

8 結論

本文設計的八旋翼無人機，懸停時有較高的效率，可以完成在2kg負載的條件下20min以上的飛行任務，同時，動力較為富余，有更好的安全性和性能提升空間。該八旋翼無人機穩定性較好而機動性不高，適用于航拍、電力檢測、貨物運送等對飛行動作要求低而續航與穩定要求高的項目上，有廣闊的應用空間。

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Eight Rotor Unmanned Aerial Vehicle (UAV) System Design and Performance Analysis

Zhou Chao,Zhang Meihong,Gao Linjie
（CAAC Academy of Flight Technology and Safety, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan Sichuan ,618307）

In this paper,an original design of a UAV having eight rotors is presented,which can be used for aerial photography and UAV driver training.The UAV is controlled by Zerotech X4V2 and takes the wheelbase 1200mm machine with electronic retractor as a platform.The UAV is equipped with DJI 3058 415kv electric motor,DJI CFP 15*5.5 propellors and DJI E1200 60A electronic speed control as its powerplant and powered by Kudian6S 1600mAh Lithium battery at 15C and 30C discharge rate.The actual test results show that the UAV can fly effectively more than 20 minutes carrying aerial photography devices which weigh 2kg,at a level flight speed over 5m/s Meanwhile, different functions can be realized, especially flight data real-time display, autopilot,airline operation and low voltage alarm using LED

UAV；Eight Rotor；System design；Performance analysis

2016 年中央高校教育教學改革專項基金項目（E20160202），民航飛行技術與飛行安全科研基地開放基金項目（F2014KF06，F2015KF02），2016年大學生創新創業項目（201610624013）。